压电元件驱动电路以及流体喷射装置的制作方法

专利名称：压电元件驱动电路以及流体喷射装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及驱动压电元件的技术。
背景技术：
以PZT (锆钛酸铅)为代表的压电元件具有在施加正电压时拉伸、在解除正电压时收缩的特性(所谓的压电特性)。如果利用该特性，则能够构成这样的致动器，该致动器通过施加驱动电压而以较高的反应速度进行响应、小型且产生较大的力。因此，压电元件作为以喷墨打印机为代表的流体喷射装置的致动器等来安装，在工业上被广泛利用。并且，压电元件具有如下的性质例如在施加正电压而使其拉伸后，在解除该电压而使其收缩时，会产生残留应变。如果在解除电压后的状态下暂时放置压电元件，则该残留 应变会消失，但是在保留了残留应变的状态下再次施加正电压时，压电元件的拉伸量会减少残留应变的量，因此不能充分发挥本来的压电元件的能力。在采用了施加负电压使压电元件收缩的使用方法的情况下也是同样的。因此，提出了如下的技术不只是解除施加到压电元件的正电压，而且还接着施加负电压来迅速消除残留应变，其结果，即使在以较高的重复频率施加电压的情况下，也能够确保压电元件本来的变形量(专利文献I)。专利文献I日本特开2006-231928号公报但是，在上述以往的技术中，除了产生用于使压电元件变形的电压的电源以外，还另外需要产生用于消除残留应变的较低电压的电源，因此存在压电元件的驱动电路大型化的问题。

发明内容
本发明正是为了解决现有技术所存在的上述问题的至少一部分而完成的，其目的在于提供一种技术，即使在以较高的重复频率驱动压电元件的情况下也能够确保压电元件本来的变形量，同时能够避免压电元件的驱动电路大型化。为了解决上述问题的至少一部分，本发明的压电元件驱动电路采用如下结构。即一种压电元件驱动电路，其通过对压电元件施加预定的驱动信号，驱动该压电元件，该压电元件驱动电路的特征在于，该压电元件驱动电路具有驱动波形信号输出电路，其输出作为所述驱动信号的基准的驱动波形信号；运算电路，其通过取所述驱动波形信号与使用施加到所述压电元件的驱动信号而生成的反馈信号间的差分，生成误差信号；功率放大电路，其通过从电源接收电力的供给并对所述误差信号进行功率放大，生成电压在所述电源产生的电源电压与该电源的接地电压之间变化的功率放大信号；感性元件，其对所述功率放大电路和所述压电元件进行连接，并将来自该功率放大电路的所述功率放大信号作为所述驱动信号供给至该压电元件；以及补偿器，其将对来自所述感性元件的所述驱动信号进行相位超前补偿后的信号作为所述反馈信号而负反馈到所述运算电路，该相位超前补偿是使相位超前的补偿，所述补偿器是使施加到所述压电元件的所述驱动信号的最低电压成为比所述电源的接地电压低的电压的电路。在具有这种结构的在本发明的压电元件驱动电路中，如以下这样向压电元件施加驱动信号。首先，通过取作为驱动信号的基准的驱动波形信号和根据实际施加到压电元件的驱动信号生成的反馈信号间的差分来生成误差信号。接着，通过对误差信号进行功率放大，生成电压在电源电压与电源的接地电压之间变化的功率放大信号。然后，通过经由感性元件将该功率放大信号供给至压电元件，向压电元件施加驱动信号。感性元件通过与压电元件组合来形成谐振电路，因此在对施加到感性元件的驱动信号进行使相位超前的补偿(相位超前补偿)后，将所得到的信号作为反馈信号负反馈到运算电路，由此，抑制感性元件与压电元件之间的谐振特性。但是，通过调整补偿器的特性(例如在由RC微分电路构成补偿器的情况下，调整电路的电阻值或电容器的电容中的至少一方)，以使得施加到压电元件的驱动信号的最低电压成为比初始状态的电压(电源的接地电压)低的电压的方式抑制谐振特性，，而不是完全抑制谐振特性。
由此，即使不使用产生比驱动信号的初始状态的电压(电源的接地电压)低的电压的电源，也能够将驱动信号的最低电压设为比初始状态的电压低的电压，能够减小在压电元件中产生的残留应变。因此，驱动电路不会大型化。并且，由于能够减小在压电元件中产生的残留应变，因此即使在以较高的重复频率驱动压电元件的情况下，也能够在不怎么受到残留应变的影响的情况下驱动压电元件。此外，能够高效地将压电元件驱动残留应变减小的量。此外，在上述本发明的压电元件驱动电路中，也可以以使施加到压电元件的驱动信号的最低电压与接地电压间的电压差成为驱动信号的最高电压(使得压电元件的变形量达到最大的电压)与接地电压间的电压差的I 2成的值的电路的方式，调整相位超前补偿电路的特性。用各种条件进行了实验的结果是，发现在压电元件的变形后产生的残留应变的大小是最大变形时的变形量的I 2成。该变形量的最大值由施加到压电元件的驱动信号的初始状态的电压(电源的接地电压)与驱动信号的最高电压间的电压差决定，因此如果将电压降低为比初始状态的电压低该电压差的I 2成左右，则基本能够消除压电元件的残留应变。因此，如果以驱动信号的最低电压与接地电压间的电压差成为驱动信号的最高电压与接地电压间的电压差的I 2成的值的方式调整补偿器的特性，则基本能够消除在压电元件中产生的残留应变，因此能够确保压电元件的本来的变形量。此外，在上述本发明的压电元件驱动电路中，也可以还具有与压电元件并联连接的容性元件。如上所述，本发明的压电元件驱动电路通过利用在感性元件与压电元件之间产生的谐振现象，将施加到压电元件的驱动信号的最低电压设为比初始状态的电压(电源的接地电压)低的电压。因此，得到这种效果的范围是谐振电路的谐振频率周边的频率范围。此处，谐振频率由感性元件的电感和压电元件的电容决定，但是压电元件的电容在一定程度上由压电元件的大小和特性等决定。因此，为了得到期望的谐振频率，可能必须调整感性元件的电感，需要较大的感性元件。在这种情况下，如果将容性元件(电容器等)与压电元件并联连接，则即使压电元件的电容不变，也相当于从感性元件连接具有压电元件和容性元件的合成电容的电容性的负载。因此，不一定必须安装较大的感性元件，因此能够使压电元件驱动电路小型化。此外，在上述本发明的压电元件驱动电路中，也可以安装如下的功率放大电路。即，也可以安装这样的功率放大电路，其具有调制电路，其通过对利用运算电路得到的误差信号进行脉冲调制来生成调制信号；以及数字功率放大电路，其通过从电源接收电力的供给并对调制信号进行数字功率放大，生成功率放大信号。在具有这种功率放大电路的本发明的压电元件驱动电路中，通过对误差信号进行脉冲调制来生成调制信号，并通过对所得到的调制信号进行功率放大，生成在电源电压与电源的接地电压之间切换电压值的脉冲波状的功率放大信号。此处，数字功率放大电路对 与电源进行推挽式连接的导通电阻较低的两个开关元件的导通/截止进行切换，在保持脉冲波状的情况下进行数字功率放大，因此与保持模拟波形对误差信号进行模拟功率放大的情况相比，能够大幅度地抑制功率损耗。此外，如上所述，本发明的压电元件驱动电路利用了在感性元件与压电元件之间产生的谐振现象，构成在该谐振频率以上的频域中具有衰减特性的平滑滤波器。即，能够通过将调制电路中的调制频率设定得远远高于该谐振频率(或截断频率)，去除功率放大信号的调制成分，将功率放大后的信号成分(驱动波形信号的信号成分)作为驱动信号施加到压电元件。此外，如上所述，本发明的压电元件驱动电路即使在以较高的重复频率驱动压电元件的情况下，也能够在几乎不受到残留应变的影响的情况下驱动压电元件，而且能够使电路小型化。因此，可适当地应用于通过驱动压电元件来喷射流体的流体喷射装置中，本发明还能够以作为流体喷射装置的方式来理解。S卩，还能够理解成如下的流体喷射装置，其具有脉动产生部，该脉动产生部具有流体流入的流体室、使所述流体室变形的压电元件、和喷射流入到所述流体室中的流体的喷嘴，通过将从上述本发明的压电元件驱动电路输出的所述驱动信号施加到所述压电元件，从所述喷嘴喷射流入到所述流体室中的流体。在这种本发明的流体喷射装置中，即使在以较高的重复频率驱动压电元件的情况下，也能够在不受到残留应变的影响的情况下充分确保压电元件的变形量。因此，能够提供即使在以较高的重复频率从喷嘴喷射流体的情况下，喷射量也会稳定的流体喷射装置。


图I是举例示出安装有本实施例的压电元件驱动电路的流体喷射装置的说明图。图2是示出了本实施例的压电元件驱动电路的电路结构的说明图。图3是示出了压电元件的实质性位移由于压电元件的残留应变而变小的情形的说明图。图4是在由施加的电压和压电元件的位移规定的平面上表示出在压电元件中产生的残留应变的说明图。图5 Ca)是用于分析本实施例的压电元件驱动电路的频率响应特性的框线图，图5 (b) 图5 (d)示出传递函数。图6是示出本实施例的压电元件驱动电路的频率响应特性的伯德图。图7是举例示出本实施例的压电元件驱动电路的动作的说明图。
图8是举例示出使用本实施例的压电元件驱动电路对压电元件进行驱动的情况的说明图。图9是在由施加的电压和压电元件的位移规定的平面上表示出使用本实施例的压电元件驱动电路进行驱动的压电元件的动作的说明图。图10是示出了变形例的压电元件驱动电路的一部分的说明图。标号说明100流体喷射装置；110喷射单元；111喷嘴；112流体喷射管；113第2壳体；114第I壳体；115流体室；116压电元件；120流体供给单元；121第I连接管；122第2连接管；123流体容器；130控制单元；200压电元件驱动电路；210驱动波形信号产生电路；220运算电路；230调制电路；235功率放大电路；240数字功率放大电路；250线圈；252电容器；260 平滑滤波器；270补偿器。
具体实施例方式下面，为了明确上述的本发明的内容，按照下面的顺序对实施例进行说明。A.装置结构B.压电元件驱动电路的电路结构C.压电元件驱动电路的动作D.变形例A.装置结构图I是示出安装有本实施例的压电元件驱动电路200的流体喷射装置100的结构的说明图。如图所示，流体喷射装置100进行大致划分，由以下部分构成喷射流体的喷射单元110、向喷射单元110供给从喷射单元110喷射的流体的流体供给单元120、以及控制喷射单元Iio和流体供给单元120的动作的控制单元130等。喷射单元110构成为将金属制的第I壳体114与金属制的第2壳体113重合的构造，在第2壳体113的前表面竖立设置有圆管形状的流体喷射管112，在流体喷射管112的前端插装有喷嘴111。在第2壳体113与第I壳体114的对接面处形成有圆板形状的流体室115，流体室115经由流体喷射管112与喷嘴111连接。此外，在第I壳体114的内部设有层叠型的压电元件116。流体供给单元120经由第I连接管121从储存有要喷射的流体(水、生理盐水、药液等)的流体容器123吸取流体，然后经由第2连接管122向喷射单元110的流体室115供给。因此，流体室115被流体充满。并且，在从控制单元130向压电元件116施加驱动信号时，压电元件116拉伸而压缩流体室115，其结果，从喷嘴111呈脉冲状地喷射流体室115内的流体。此外，在停止驱动信号的施加时(将驱动信号的电压返回到初始状态的电压时)压电元件116收缩，使被压缩的流体室115恢复到原来的形状。但是，在停止驱动信号的施加时，压电元件116不会立即收缩到原来的状态。具体将后述，在停止驱动信号的施加后，在短暂期间内，在压电元件116中会产生一些(拉伸量的I 2成左右)残留应变。并且，在产生了残留应变的状态下施加驱动信号时，压电元件116的拉伸量减少残留应变的量，因此从喷嘴111喷射的流体量减少。如果在停止驱动信号的施加后施加更低的电压，则也能够消除压电元件116的残留应变，但是，如果为此而使用了另一电源，则控制单元130会变大。因此，为了在不使用另一电源的情况下消除压电元件116的残留应变，在本实施例的控制单元130内安装有以下说明的压电元件驱动电路200。B.压电元件驱动电路的电路结构图2是示出本实施例的压电元件驱动电路200的电路结构的说明图。如图所示，压电元件驱动电路200进行大致划分，具有以下部件驱动波形信号产生电路(驱动波形信号输出电路)210，其输出作为驱动信号基准的驱动波形信号(以下为WC0M);运算电路220，其根据从驱动波形信号产生电路210接收到的WCOM和后述的反馈信号(以下为dCOM)输出误差信号(以下为dWCOM);功率放大电路235，其对来自运算电路220的dWCOM进行功率放大，生成功率放大信号(以下为Vs);线圈250 (感性元件)，其从功率放大电路235接收Vs，并作为驱动信号(以下为COM)提供给喷射单元110的压电元件116 ;以及补偿器270，其除了进行使从线圈250提供给压电元件116的COM的相位超前的补偿以外，还生成dCOM (反馈信号)。此处，功率放大电路235具有调制电路230，其对来自运算电路220的dWCOM进行脉冲调制，转换为调制信号(以下为MC0M)；以及数字功率放大电路240，其对来自调制电 路230的MCOM进行功率放大，生成功率放大信号(Vs)。其中，驱动波形信号产生电路210具有存储了 WCOM的数据的波形存储器和D/A转换器，通过在D/A转换器中将从波形存储器读出的数据转换为模拟信号，生成WCOM(驱动波形信号)。所生成的WCOM被输入到运算电路220的同相输入端子。此外，来自补偿器270的dCOM (反馈信号)输入到运算电路220的反相输入端子。其结果，从运算电路220输出与WCOM和dCOM的差分相当的信号，作为dWCOM (误差信号)。接着，调制电路230将dWCOM与恒定周期的三角波(以下为Tri)进行比较，生成如果dWCOM较大则成为高电压状态、如果dWCOM较小则成为低电压状态的脉冲波状的MCOM(调制信号)。接着，所得到的MCOM被输入到数字功率放大电路240。数字功率放大电路240具有电源、与电源进行推挽式连接的两个开关元件(M0SFET等)、和驱动这些开关元件的栅极驱动器。在MCOM为高电压状态的情况下，电源侧(高边侧)的开关元件成为导通状态，低边侧的开关元件成为截止状态，将电源产生的电压(电源电压Vdd)作为Vs进行输出。此外，在MCOM为低电压状态的情况下，高边侧的开关元件成为截止状态，低边侧的开关元件成为导通状态，将电源的接地电压GND作为Vs进行输出。因此，能够将呈脉冲波状地变化的MCOM功率放大为在电源电压Vdd与接地电压GND之间呈脉冲波状地变化的Vs。此外，在该功率放大中，对与电源进行推挽式连接的两个开关元件的导通/截止进行切换，在导通状态的开关元件中流过电流，但是开关元件(M0SFET等)的导通电阻非常低，因此基本不产生开关中的损耗。因此，与保持模拟波形来对误差信号进行模拟功率放大的情况相比，能够大幅度抑制功率损耗。其结果，不仅能够实现功率效率的提高带来的节电化，而且还不需要为了散热而设置较大的散热器，因此还能够使电路小型化。在使这样进行了功率放大的Ns (功率放大信号)通过线圈250后，作为COM (驱动信号)施加到压电元件116。具体将后述，但是线圈250通过与压电元件116的电容组合而构成了平滑滤波器260，通过将调制电路230的调制频率设定得比该平滑滤波器260的截断频率高，Vs中的调制成分被平滑滤波器260衰减，取出Vs中的信号成分，作为COM进行解调。此外,压电元件驱动电路200对施加到压电元件116的COM进行了负反馈，因此成为了反馈控制系统，但是通过线圈250后的COM由于平滑滤波器260的相位特性，相位相对于WCOM延迟。因此，不是单纯地对COM进行负反馈，还利用由电容器Ch和电阻Rh构成的补偿器270进行使相位超前的补偿，将所得到的信号作为dCOM输入到运算电路220的反相输入端子，由此进行负反馈。C.压电元件驱动电路的动作具有以上那样的结构的本实施例的压电元件驱动电路200虽然不具有用于消除残留应变的另一电源，但是具有能够迅速消除在压电元件116中产生的残留应变的优异特性(具体将后述)。其结果，不会导致电路的大型化或复杂化，而能够以较高的重复频率(即以较短的时间间隔)驱动压电元件116。以下，对能够得到这样的优异特性的理由进行说明，但是作为其准备，对压电元件116的实质性变形量由于在压电元件116中产生的残留应变而变少的现象进行简单说明。图3是示出将某个波形的驱动信号重复施加到压电元件116时的压电元件116的 位移的说明图。在图中用实线示出的波形表示驱动信号，用虚线示出的波形表示由于施加驱动信号而产生的压电元件116的位移。此外，压电元件116的位移是指以施加驱动信号前(初始状态)的长度为基准的压电元件116的变形量。此外，横轴表示时间的经过。在图中示出的时刻A到时刻B的范围内使驱动信号的电压从初始状态的电压Va增加到电压Vb时，压电元件116变形(拉伸)从而位移变为La。之后即使在图中的时刻B至IJ时刻C的范围内使驱动信号的电压从电压Vb返回到电压Va，压电元件116的位移也不会完全恢复到原来，而产生dL的残留应变。如在图3中用虚线所示那样，该残留应变随着时间经过而变小，但是在从残留应变没有完全消除的时刻D起使驱动信号的电压从电压Va增加到电压Vb时，电压达到电压Vb的时刻的压电元件116的位移变为La。S卩，从时刻D起的变形量减小残留应变的量。换言之，在使得残留应变保留的条件(例如以较高的重复频率进行驱动等的条件)下驱动压电元件116时，根据施加的电压的变化量本来应该得到的变形量会减少残留应变的量。图4是在由施加到压电元件116的电压和压电元件116的位移规定的平面上表示出在压电元件116中产生残留应变的情形的说明图。如图4 (a)所示，在使施加到压电元件116的电压从初始状态的电压Va增加到电压Vb时，经过在图中示出的路径(1)，压电元件116的位移增加到La。接着，在减少施加到压电元件116的电压时，压电元件116的位移也会经过图中的路径(2)而减少，但是即使返回到初始状态的电压Va，也保留dL的残留应变。在保持初始状态的电压Va时，该残留应变dL随着时间经过而减少，但是在保留了残留应变的状态下使电压再次增加到电压Vb时，压电元件116的位移经过在图4 (a)中示出的路径(3)而增加到La。由此，在对压电元件116连续重复地施加驱动信号时，压电元件116的位移经过路径(3)增加后会经过路径(2)减少，压电元件116的实质性位移量会减少残留应变的量。其结果，在图I所示的流体喷射装置100中，流体的喷射量减少。当然，如果在使压电元件116的电压返回到初始状态的电压Va后保持电压Va直到残留应变消除，则能够避免压电元件116的实质性位移量减少。但是，如图4 (b)所示，在残留应变dL大致消除之前，需要I秒左右的时间，因此不能以较高的重复频率驱动压电元件116。为了要避免这种情况，需要施加比初始状态的电压Va低的电压来抵消压电元件116的残留应变，为此另外需要电源，所以存在驱动电路大型化和复杂化的问题。
与此相对，在具有图2所示的结构的本实施例的压电元件驱动电路200中，是比较简单的电路结构，同时能够在不受残留应变的影响的情况下以较高的重复频率驱动压电元件116。以下，对压电元件驱动电路200的动作进行说明。图5 Ca)是用于分析本实施例的压电元件驱动电路200的频率响应特性的框线图，图5 (b) 图5 (d)示出传递函数。首先，运算电路220将来自驱动波形信号产生电路210的WCOM (驱动波形信号)减去来自补偿器270的dCOM (反馈信号)，生成dWCOM (误差信号)。该dWCOM被调制电路230转换为MCOM (调制信号)后，被数字功率放大电路240放大而转换为Vs (功率放大信号)，由平滑滤波器260进行解调而作为COM (驱动信号)输出。所输出的COM在由补偿器270实施了相位超前补偿后，作为dCOM负反馈到WC0M，由此，整体上构成了负反馈控制系统。此处，在设线圈250的电感为L、压电元件116的电容为Cp时，平滑滤波器260的传递函数F (s)用图5 (b)所示的式子给出。此外，补偿器270的传递函数β (s)用图5(c)所不的式子给出。此处，Ch表不构成补偿器270的电容器的电容，Rh表不构成补偿器 270的电阻的电阻值。因此，在设数字功率放大电路240进行功率放大时的增益为G时，压电元件驱动电路200的整体的传递函数H (s)用图5 (d)所示的式子给出。图6是表示压电元件驱动电路200的整体的传递函数H (S)的频率响应特性的伯德图。在图6 (a)中示出了增益线图，在图6 (b)中示出了相位线图。此外，在增益线图和相位线图中，除了压电元件驱动电路200整体的传递函数H (s)的特性以外，还示出了包含功率放大电路235的平滑滤波器260的传递函数G *F (s)的特性、和补偿器270的传递函数β (s)的特性。如在图6 (a)的增益线图中用虚线示出那样，线圈250的电感与压电元件116 (压电元件)的电容一起形成谐振电路，因此在由图中所示的计算式确定的谐振频率f0附近，呈现增益的尖的波峰。因此，通过使COM进行负反馈来抑制波峰。但是，如图6 (b)所示，根据平滑滤波器260的相位特性，COM在比谐振频率f0高的频域中相位延迟180度，因此如果直接使COM进行负反馈，控制单元130可能会变得不稳定。因此，在使用由在图6中点划线示出的特性的相位超前补偿电路270进行了使相位超前的补偿后，作为dCOM(反馈信号)进行负反馈。由此，能够在不使控制单元130不稳定的情况下使COM进行负反馈，其结果，如在图6 Ca)中实线所示，能够抑制在增益线图中呈现的波峰。此处，在本实施例的压电元件驱动电路200中，不是完全抑制增益的波峰，而保留了+IdB (大约I. 25倍)以上的波峰。因此，在谐振频率f0的周边频域，能够得到比功率放大电路235的增益G至少大+IdB (大约I. 25倍)以上的较大增益。在本实施例的压电元件驱动电路200中，利用该特性消除压电元件116的残留应变。图7是举例示出本实施例的压电元件驱动电路200的动作的说明图。在图7 (a)中，示出了运算电路220接收来自驱动波形信号产生电路210的WCOM (驱动波形信号)、和来自补偿电路270的dCOM (反馈信号)，并输出dWCOM (误差信号)的情形。将这样输出的dWCOM输入到调制电路230，与恒定周期的Tri (三角波信号)进行比较。在图7 (b)中，示出了在调制电路230中进行比较的dWCOM和Tri。调制电路230对两个信号进行比较，生成在dWCOM较大时成为高电压状态、在Tri较大时成为低电压状态的图7 (c)所示的MCOM(调制信号)，向数字功率放大电路240进行输出。在数字功率放大电路240中，将MCOM功率放大为Vs (功率放大信号)，输出到线圈250，Vs在数字功率放大电路240的电源产生的电压(电源电压Vdd)、与电源的接地电压GND之间切换电压。于是，依照图6 (a)所示的增益特性，将输入到线圈250的Vs转换为COM (驱动信号)，施加到压电元件116。此处，如之前使用图6 (a)所述那样，压电元件驱动电路200整体的传递函数H(S)的增益在谐振频率fo附近增加，谐振频率fO由线圈250的电感L、和压电元件116的电容Cp决定。因此，COM会相对于Vs的电压范围(电源的接地电压GND 电源电压Vdd)产生一些过冲(overshoot)和下冲(undershoot)。在对图7 (a)所示的WCOM的波形、和图7 Cd)的COM的波形进行相比时，可明确该情况。S卩，如图7 (a)所示，WCOM从初始状态的电压起增加，再次降低到初始状态的电压，但是COM从初始状态的电压起增加，在电压降低时降低至比初始状态的电压低的电压， 产生了下冲。此外，虽然根据与WCOM的比较未必可以明确，但是COM在从初始状态的电压起增加时也产生了过冲。并且，如果使用这种COM (尤其是，伴随下冲的COM)驱动压电元件116，则能够迅速消除在压电元件116中产生的残留应变，以较高的重复频率施加COM。以下，对该点进行详细说明。图8是示出了将伴随下冲的COM重复施加到压电元件116时的压电元件116的位移的说明图。图中用实线示出的波形表示COM。如图所示，COM在从初始状态的电压Va增加到电压Vb后，降低到比电压Va低的最低电压VO，之后在电压Va上下振动，同时迅速在短时间内衰减。此处，COM的振动在短时间内衰减是由于本实施例的压电元件驱动电路200对COM进行相位超前补偿并使其负反馈。此外，在图中用虚线示出的波形表示对应于这种COM产生的压电兀件116的位移。并且，图8的横轴表不时间的经过。在图中示出的时刻A到时刻B的范围内使COM从初始状态的电压Va增加到电压Vb时，压电元件116的位移增加到La。接着，在减少COM时，在图中示出的时刻C，越过初始状态的电压Va，减少到比电压Va低dV的电压(最低电压V0)。如在图中虚线所示，在COM返回到初始状态的电压Va的时刻，在压电元件116中产生了残留应变，但是通过COM从该状态起进一步减少到最低电压V0，基本消除了残留应变。之后，伴随在COM中产生的残留振动，压电元件116的位移会有一些变动，但是在COM的残留振动在短时间内衰减并稳定在初始状态的电压Va时，压电元件116的位移也基本恢复到初始状态。由此，在压电元件116的位移基本恢复到初始状态后，能够通过将COM再次施加到压电元件116，在不受到残留应变的影响的情况下驱动压电元件116。此外，最低电压VO只要是比初始状态的电压Va低的电压即可，不一定需要是负电压。此处，所谓负电压，是指比COM的接地电压(因此，是压电元件116的接地电压)低的电压。尤其是，在如本实施例的压电元件116那样被称作所谓的层叠型的元件中，从压电元件116的耐久性的方面来看，优选使最低电压VO不会成为较大的负电压。图9是在由施加到压电元件116的电压和压电元件116的位移规定的平面上表示出被施加了 COM时的压电元件116的动作的说明图。在图9中显示为“A”的状态(向压电元件116施加初始状态的电压Va、压电元件116的位移是O的状态)与在上述图8中示出的时刻A的状态对应。此外，在图9中显示为“B”的状态(向压电元件116施加电压Vb、压电元件116的位移是La的状态)与在图8中示出的时刻B的状态对应。并且，在图9中显示为“C”的状态(向压电元件116施加了下冲的电压(最低电压V0)的状态)与在图8中示出的时刻C的状态对应。
如图9所示，在COM从初始状态的电压Va增加到电压Vb时，压电元件116的状态经过在图中示出的路径(I)而从状态A变化到状态B。接着，在COM减少时，压电元件116的状态经过在图中示出的路径(2)而变化。因此，在COM减少到电压Va的时刻，压电元件116的位移不能恢复到初始状态而产生残留应变。但是COM从电压Va进一步减少，因此压电元件116的状态沿着路径(2)进一步移动，残留应变伴随该移动而减少。并且，在COM减少到最低电压VO时，压电元件116的状态达到状态C，基本消除残留应变。之后，伴随COM以初始状态的电压Va为中心进行振动，在状态A的周围变动，但是该变动在短时间内减速并恢复到作为初始状态的状态A。如果在该状态下再次施加C0M，则压电元件116重复与上述动作相同的动作。由此在本实施例的压电元件驱动电路200中，使用下冲的COM驱动了压电元件116。因此，能够将在压电元件116中产生的残留应变减小与COM下冲的电压(在上述实施例中为dV)相当的量。此外，压电元件116通常产生变形量的I成 2成左右的残留应变。因此，为了通过COM的下冲消除该残留应变，优选将下冲的电压(在上述实施例中为dV)设定为施加到压电元件116的电压(从初始状态的电压Va到电压Vb的电压)的I成 2成左右。假如要在不利用下冲的情况下施加比初始状态的电压Va低的电压(此处为最低电压V0)来消除压电元件116的残留应变，则根据以下理由，不能避免驱动压电元件116的电路的大型化和复杂化。首先，COM是通过使在数字功率放大电路240中得到的Vs (功率放大信号)通过线圈250而产生的。在数字功率放大电路240中，通过将来自调制电路230的MCOM (调制信号)功率放大为在电源产生的电源电压Vdd与电源的接地电压GND之间切换电压的信号来产生Vs。在本实施例中，该接地电压GND变为COM的初始状态的电压Va。并且，在要产生比初始状态的电压Va低的电压时，需要另外准备产生比接地电压GND低的 电压的电源。需要另外准备的电源不一定限于负电源，但是，总之需要多个电源，因此驱动压电元件116的电路大型化和复杂化。与此相对，在本实施例的压电元件驱动电路200中，如之前使用图6所述那样，仅以在谐振频率f0附近稍微保留增益的波峰的方式设定补偿器270的特性即可。此外，由之前的说明可知，用于功率放大电路的开关元件(MOSFET)的耐电压通过电源产生的电源电压Vdd与电源的接地电压GND进行设定即可，不一定需要满足所产生的COM的最大振幅。一般而言，如果开关元件(MOSFET)的耐电压较低，则接通电阻也能够降低，因此能够期待进一步的功率节省效果。因此，不仅不需要另外准备电源，而且也不需要为了散热而设置较大的散热器，因此不会导致压电元件驱动电路200的大型化和复杂化。此外，在本实施例的压电元件驱动电路200中，对COM进行相位超前补偿并使其负反馈，因此即使COM下冲，之后的残留振动也在短时间内衰减。因此，在施加COM后，压电元件116在短时间内返回到初始状态(施加COM前的状态)，因此即使在以较高的重复频率施加了 COM的情况下，也能够在不受到残留应变的影响的情况下驱动压电元件116。D.变形例在以上说明的实施例或变形例中，针对由线圈250和压电元件116构成平滑滤波器260的情况进行了说明。但是，也可以以与压电元件116并联连接的方式设置电容器，通过该电容器、线圈250和和压电元件116构成平滑滤波器260。
图10是举例示出上述结构的变形例的压电元件驱动电路300的一部分的说明图。如图所示，在变形例的压电元件驱动电路300中，以与压电元件116并联连接的方式设置了电容器252(容性元件)。在这种结构中，通过线圈250的电感L、压电元件116的电容Cp和电容器252的电容Ce形成谐振电路。并且，能够将相互并联连接的压电元件116的电容Cp和电容器252的电容Ce作为合成电容(大小为Cp+Cc)来处理，因此该谐振电路的谐振频率成为由线圈250的电感L和合成电容Cp+Cc决定的频率。作为压电元件驱动电路300的驱动负载的压电元件116的电容Cp与要求的压电性能对应，在大致的范围内决定。因此，假如没有电容器252时，为了将谐振频率设定为期望的频率，需要用线圈250的电感L进行调整。其结果，在需要较大的电感L的情况下，需要较大的线圈250，从而压电元件驱动电路300有时会变大。但是，在这种情况下，如果与
压电元件116并联连接电容器252，则能够通过适当设定电容器252的电容，在不增大线圈250的情况下将谐振频率设定为期望的频率。以上对本实施例的压电元件驱动电路进行了说明，但本发明不限于上述的所有实施例和变形例，能够在不脱离其宗旨的范围内用各种方式进行实施。例如，在上述实施例或变形例中，说明了使用称作所谓的脉宽调制(PWM)的方式作为脉冲调制方式的情况。但是，脉冲调制方式不限于PWM，例如也可以使用称作脉冲密度调制(PDM)的方式等其他脉冲调制方式。尤其是，如果使用对COM (驱动波形信号)和Vs (功率放大信号)的差分进行积分的△ Σ调制方式，则还能够应对电源电压的变动。此外，作为应用压电元件驱动电路200的设备，能够应用于在形成包含药剂和营养剂的微型胶囊时使用的流体喷射装置等、包括医疗设备在内的各种电子设备。尤其是在医疗设备中，要求安全性、以及药剂和营养剂的分量的均匀性，因此能够通过提供喷射量稳定的本申请发明的压电元件驱动电路200、300，满足医疗设备的需求。此外，还能够将压电元件驱动电路应用到在流体循环装置中使用的隔膜型送液泵等，该流体循环装置通过使制冷液等流体循环而对在投影仪等中产生的热源进行冷却。能够通过在流体循环装置中应用本发明的压电元件驱动电路200、300，如上所述那样提供喷射量稳定、高效且小型的流体循环装置。
权利要求
1.一种压电元件驱动电路，其通过对压电元件施加预定的驱动信号，驱动该压电元件，该压电元件驱动电路的特征在于，该压电元件驱动电路具有 驱动波形信号输出电路，其输出作为所述驱动信号的基准的驱动波形信号； 运算电路，其通过取所述驱动波形信号与使用施加到所述压电元件的驱动信号而生成的反馈信号间的差分，生成误差信号； 功率放大电路，其从电源接收电力的供给而对所述误差信号进行功率放大，由此生成电压在所述电源产生的电源电压与该电源的接地电压之间变化的功率放大信号； 感性元件，其对所述功率放大电路和所述压电元件进行连接，并将来自该功率放大电路的所述功率放大信号作为所述驱动信号供给至该压电元件；以及 补偿器，其将对来自所述感性元件的所述驱动信号进行相位超前补偿后的信号作为所述反馈信号而负反馈到所述运算电路，该相位超前补偿是使相位超前的补偿， 所述补偿器是使施加到所述压电元件的所述驱动信号的最低电压成为比所述电源的接地电压低的电压的电路。
2.根据权利要求I所述的压电元件驱动电路，其特征在于， 所述补偿器是使施加到所述压电元件的所述驱动信号的最低电压与所述接地电压间的电压差成为所述驱动信号的最高电压与所述接地电压间的电压差的I 2成的值的电路。
3.根据权利要求I或2所述的压电元件驱动电路，其中， 该压电元件驱动电路还具有与所述压电元件并联连接的容性元件。
4.根据权利要求I至3中的任意一项所述的压电元件驱动电路，其特征在于， 所述功率放大电路具有 调制电路，其通过对所述误差信号进行脉冲调制来生成调制信号；以及数字功率放大电路，其从所述电源接收电力的供给而对所述调制信号进行数字功率放大，由此生成所述功率放大信号。
5.一种流体喷射装置，其具有 权利要求I至4中的任意一项所述的压电元件驱动电路；以及脉动产生部，其具有流体流入的流体室、使所述流体室变形的压电元件、和喷射流入到所述流体室中的流体的喷嘴， 通过将从所述压电元件驱动电路输出的所述驱动信号施加到所述压电元件，从所述喷嘴喷射流入到所述流体室中的流体。
6.一种医疗设备，其具有权利要求I所述的压电元件驱动电路。
全文摘要
本发明提供压电元件驱动电路以及流体喷射装置，即使在用较高的重复频率驱动了压电元件的情况下也能够确保压电元件本来的变形量，且驱动电路是小型的。将使作为待施加到压电元件的驱动信号的基准的驱动波形信号进行功率放大而经过线圈后的驱动信号施加到压电元件。通过线圈和压电元件形成谐振电路，通过对驱动信号施加相位超前补偿并使其负反馈来抑制谐振波峰。此时，调整波峰的抑制程度来稍许产生反向电压。由此，能够通过反向电压消除压电元件的残留应变，因此即使在用较高的重复频率进行驱动的情况下，也能够确保本来的变形量。此外，电路也不会变得复杂。
文档编号B41J2/045GK102862388SQ201210230300
公开日2013年1月9日 申请日期2012年7月4日 优先权日2011年7月5日
发明者大岛敦 申请人:精工爱普生株式会社